Предварительные замечания

Выпрямитель – это устройство, предназначенное для преобразования энергии переменного тока в энергию постоянного тока.

Выпрямители относятся к семейству так называемых AC/DC – преобразователей (где использованы сокращения от слов A lternating C urrent - переменный ток, D irect C urrent - постоянный ток).

Упрощенный вариант электрической схемы замещения неуправляемого выпрямителя однофазного тока приведена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Мостовая схема выпрямления однофазного тока

В состав схемы входят следующие основные элементы.

1). Идеальная питающая сеть, состоящая из источника синусоидальной ЭДС e₂.

2). Вентильный комплект, который, собственно, и осуществляет преобразование переменного напряжения в постоянное. В нашем случае вентильный комплект состоит из четырех диодов. У двух из них соединены катоды - это так называемая “ катодная группа вентилей”, приборы в которой принято нумеровать нечетными числами – диоды D ₁ и D ₃. У двух оставшихся соединены аноды, и они образуют “ анодную группу вентилей”, приборы в которой принято нумеровать четными числами – диоды D ₂ и D ₄.

Легко заметить, что при подобном соединении диодов вентильный комплект можно рассматривать как мостик, в одну диагональ которого включена питающая ЭДС e ₂, а к другой подключена RL- нагрузка. По этой причине приведенную на рис. 1.1 схему в силовой электронике обычно называют мостовой схемой выпрямления однофазного тока.

3). Индуктивный сглаживающий фильтр L_d, используемый для сглаживания пульсаций выпрямленного тока (тока нагрузки).

4). Резистивная нагрузка R_d, которая, собственно, и является потребителем энергии постоянного тока.

Идеализированные диаграммы токов и напряжений в схеме при двух граничных параметрах нагрузки приведены на рис. рис. 1.2.

Рис. 1.2. Диаграммы токов и напряжений при L_d = 0 (слева) и при X_d >> R_d (справа)

Диоды в мостовой схеме выпрямления однофазного тока работают попарно. На интервале включены диоды D ₁ и D ₂, а на интервале – диоды D ₃ и D ₄. В результате напряжение e_d на выходных зажимах выпрямителя в пределах первого интервала определяется положительной полуволной питающей ЭДС e ₂, а в пределах второго интервала – ее отрицательной полуволной, развернутой на 180^о относительно оси времени.

Как видим, форма напряжения e_d на выходных зажимах вентильного комплекта остается неизменной при любом характере нагрузки (рис. 1.2,б).

В принципе, в ней можно выделить две составляющие: постоянную составляющую E _d(av) (среднее значение) и переменную составляющую e _d≈, которая характеризует отклонение реальной кривой от среднего уровня (на рис. 1.2,б эти отклонения показаны затенением):

(1.1)

Постоянная составляющая E _d(av) является полезной. Собственно говоря, выпрямители и делаются именно ради нее.

Переменная же составляющая e _d~ является вредной, которая характеризует не идеальность преобразования переменного напряжения в постоянное. Чем меньше переменная составляющая, тем выше качество выпрямленного напряжения.

Среднее значение выпрямленного напряжения E_d(av) (a verage v alue) определяется как

(1.2)

где E ₂ – действующее значение ЭДС питающей сети;

E_dm – максимальное значение выпрямленного напряжения, равное амплитуде питающей ЭДС:

, (1.3)

Максимальная величина обратного напряжения U_Rm, прикладываемого к диодам, при любом характере нагрузки равна амплитуде ЭДС питающей сети (рис. 1.2,д):

(1.4)

Изменение характера нагрузки, не влияющее на форму кривой и интегральные параметры выпрямленного напряжения, отразится на форме и интегральных параметрах тока, протекающего в контуре нагрузки.

Естественно, что при этом изменятся также и параметры токовой загрузки элементов силовой схемы, в том числе диодов, которые нас и интересуют в первую очередь.

Режим “чисто активной” нагрузки (L_d = 0).

В режиме чисто активной нагрузки кривая тока i_d в контуре просто повторяет по форме напряжение на выходных зажимах выпрямителя e_d:

(1.5)

Максимальное значение анодного тока I_am диодов равно максимальному значению тока нагрузки I_dm (рис. 1.2,г):

(1.6)

Среднее значение анодного тока (абсолютная и относительная величина):

(1.7)

Действующее значение анодного тока (абсолютная и относительная величина):

(1.8)

Коэффициент формы k_f и коэффициент амплитуды k_a анодного тока:

(1.9)

Режим активно-индуктивной нагрузки (X_d = 2π f·L_d ≠ 0).

Наличие индуктивности в контуре нагрузки не сказывается на величине среднего значения (постоянной составляющей) протекающего через нее тока I _d(av), поскольку у постоянной составляющей частота f = 0. А вот переменная составляющая i _d≈ будет ограничиваться (уменьшаться) и тем сильнее, чем больше величина индуктивности.

При “чисто индуктивной нагрузке”, когда X _d >> R _d, переменная составляющая в токе нагрузки исчезнет вообще, и он окажется идеально сглаженным (рис. 1.2,в справа):

(1.10)

Максимальное значение анодного тока I_am диодов равно среднему значению тока нагрузки I_{d ( av )} (рис. 1.2,г):

(1.11)

Среднее значение анодного тока (абсолютная и относительная величина):

(1.12)

Действующее значение анодного тока (абсолютная и относительная величина):

(1.13)

Коэффициент формы k_f и коэффициент амплитуды k_a анодного тока:

(1.14)

Дата добавления: 2017-02-01